机电运动控制系统作业答案(选做)答案分析

机电运动控制系统 选做作业1. 晶闸管可控整流器供电直流电机调压调速的机械特性有何特点? 画出三相半波可控整流器供电直流电机机械特性并说明之。

答:与直流发电机-电动机组机械特性相比, 不同之处是: (1) 分电流连续与电流断续二个区域;(2) 电流连续区因可控整流器内阻大 (特别有换流重迭压降引入的等效电阻) 而使机械特性软； 电流断续区则因电流不连续致使机械特性更软而无法负载工作。

三相半波可控整流器供电直流电机机械特性如图所示: 时，整流器工作在整流状态，电机工作在电动状态； 时，整流器工作在逆变状态，电机工作在制动状态。

2. 可控整流器供电直流电机调速系统主回路中为何要釆用平波电抗器?其电感量应按什么要求来设计? 答:由于可控整流器供电直流电机调速系统负载轻时电流断续, 机械特性软, 调速特性差，无静差度可言。

解决办法：串接平波电抗器L ，增大晶闸管导通角以使电流连续。

平波电抗器电感量计算原则是: 能确保轻载下最小电流 时电流仍连续。

一般规律是I dmin 越小，要求平波电抗器电感量越大。

3．在转速、电流双闭环调速系统中，出现电网电压波动与负载扰动时，各是哪个调节器起主要调节作用？ 答：(1) 电网电压波动：影响整流电压U d ，整流电流I d ，反映到控制信号即u fi ，它从电流环介入，故电流调节器起主要作用。

(2)负载扰动：负载T L 的变化将影响转矩平衡关系，继而影响转速ωr ，n ，反映到控制信号即u fn ，它从速度环介入，故速度调节器起主要作用00α<00α>dmin (5~10)%20%NNI I I ⎧=⎨⎩4. 双闭环调速系统稳态运行时，两个PI 调节器的输入偏差(给定与反馈之差)是多少？它们的输出电压应对应于何种状态的值？为什么？ 答：(1) 根据PI 调节器的特性，稳态时能实现无差调节，使反馈等于给定，即： △u n ＝ 0 或△u i ＝ 0 ，两个PI 调节器的输入偏差为零。

(2) 它们的输出电压应对应于第一次进入△u n ＝ 0 或△u i ＝ 0 时的输出状态值(如 u n ， u i ，α，U d ，I d ，T )。

这是由于PI 调节器有积分、记忆功能，对过去出现过的误差信号有记忆作用。

当 时， ，调节器输入为零，但由于PI 调节器的积分作用，对过去出现过的误差有记忆，则积分输出不为零，维持第一次出现时 的输出值 ，进而维持 （无差）5．反并联时为何会出现环流？限制环流有哪些有效方法？各有什么特点？ 答：两桥反并联且同时整流时, 产生的整流电压 会不经直流电机而顺串短路，因无电阻限流，会形成巨大环流。

限制环流的有效办法(对策)是: (1) 要求直流电压：极性互顶：一桥整流、一桥逆变。

如图所示g fn u u =0n u ∆=0n n ∆=0n u ≠g fn u u=E E桥I 桥II I I ()αβII II ()αβI I αββα∏∏=⎧⎨=⎩'d d U U 、● 大小相等 ， 即这样可以消除平均环流, 因为① 平均环流 整流平均电压 ，消除了平均环流但不能消除瞬吋环流, 因为：② 瞬时环流 一桥整流、一桥逆变时整流平均电压相等，但瞬时电压波形不同，瞬时电压差将引起瞬时环流，控制上要求必须同时控制平均及瞬时环流。

因此环流控制策略有: （1）有环流系统● 原则： 无平均环流，限制瞬时环流 ● 做法：● 一桥整流、一桥逆变， ；● 电抗器L 、L ，（非平波电抗器L ）限制瞬时环流（2）无环流系统● 原则：一桥工作（整流或逆变），一桥封锁（不工作）● 采用逻辑电路保证两桥切换的安全——逻辑无环流晶闸管直流电机可逆调速系统 6．为什么脉宽调制(PWM)型直流调速系统比晶闸管型直流调速系统能获得更好的动态特性? 答:可控整流器-直流电动机调速系统釆用开关速度慢(300Hz)的晶闸管作开关元件, 使换流死区(晶闸管不立即响应触发信号的时间)平均为3.33 – 6.66m S. 而脉宽调制(PWM)型直流调速系统釆用自关断器件(GTR, IGBT, MOSFET 等), 其开关频率在几k Hz – 几百k Hz, 换流死区时间降至几十n S – 几百n S, 快上了几百、上千倍, 致使电机电压、电流、转矩、速度响应时间大大缩短, 即有了更好的动态特性。

7．从电机学原理说明调压调速机理, 从电力电子技术说明调压调速的实现手段 答:根据电机学原理, 当异步电机端电压变化时, 机械特性发生如图改变, 即:故隨端电压Ｕ1下降时, 最大转矩Ｔm 平方下降, 但发生最大转矩的位置S m 不变, 致使机'd d U U =cos cos I E E αβ∏=I Iαββα∏∏=⎧⎨=⎩'d d U U =I I αββα∏∏=⎧⎨=⎩21212 m m T U R S x x σσ⎧∞⎪'⎨=⎪'+⎩最大转矩临界转差械特性变软, 与负载特性的交点即运行点的滑差S 增大,速度 n 降低, 实现了调压调速。

实现调压调速的电力电子技术装置是交流固态调压器, 是用双向晶闸管或两只反并联的晶闸管构成。

8．画出晶闸管恒转矩亚同步串级调速系统主电路, 说清为什么是亚同步 答:由于电机转子侧釆用了不控整流器使转子频率滑差功率P s 变成直流功率, 可以简单釆用有源逆变器的直流电势U β来吸收, 但釆用不控整流器只能使滑差功率P s 从电机向电网方向传送,即增大转子P s , 增大S , 实现从同步速向下降低 n , 故为亚同步串级调速系统。

9. 晶闸管恒转矩亚同步串级调速系统如何实现速度调节? 其调节规律又如何? 答:系统调速控制量为逆变超前角β, 即 β 变化→ 变化变化→ s 变→ n 变。

其调节规律是： (a)当 时, 串级调速系统运行于转子短接的自然特性上→达最高速;(b) 当 时, 速度下降;(c)为防止逆变颠覆，限定 ，即达到了最低速10. 分析、讨论恒电压/频率比(U 1/f 1 = C)控制时, 异步电机变频调速控制方式的特点 答:f f 2() 2.34cos 3s U E U E I ββ==→变化2s 222M 33f P I R E I sP '→=+=f f 90()0U E β=︒→==f f s M ()cos U E P sP s n ββ↓→=∞↑→=↑→↑→↓min 30ββ≥=︒特点：（1）同步速 n s 随运行频率变化（2）不同频率下，特性曲线硬度相同（平行线）——恒转矩特性① 控制下，其机械特性适合调速范围不宽、转速不太低的恒转矩负载（T m 不够）；特别适合负载转矩随转速下降而减小的负载，如风机/水泵。

②低频时（ ）适当提高端电压U 1 ，以补偿定子电阻压降，可增大T m ，以适当提高带负载能力11. 分析、讨论恒气隙电势/频率比(E 1/f 1 = C)时, 异步电机变频调速控制方式的特点 答:特点是:①恒最大转矩运行——最大转矩 T m 不变， 与ω1无关。

②仍为恒转矩特性（不同ω1 下 Δn 相同），但线性段范围更宽。

③低频时起动转矩 T Q 比额定频率起动转矩 T QN 大。

● 低频起动时，11()f ω小→ 2ψ'小→转子电流有功分量（22cos I ψ''）大→产生起动转矩 Q T 大；● 额定频率起动时，11()N N f ω大→ 2ψ' 大→转子电流有功分量（22cos I ψ''）小→产生起动转矩Q N T 小。

要实现恒最大转矩运行，必须确保气隙磁通m C φ=（恒定），即 11/C E f = （恒定）。

而外部控制量为1U ，必须全频范围内恰如其分地补偿定子电阻压降。

12．分析、讨论恒转子电势/频率比（ E r / f 1 = C ）控制时, 异步电机变频调速控制方式的特11/C U f =15Hz f <点及优点 答:低频时如将电压作进一步补偿，除补偿掉定子漏阻抗压降外，再补偿掉转子漏阻抗压降，最后保持转子电势E r 线性变化，实现 E r /f 1 = C 控制.这样, 在确定频率 下， 机械特性 为一直线； 不同频率 下，为一族平行线 —— 并激直流电机特性 13．为何变频器供电电机转子容易发热甚至烧毁? 答:这主要是变流器(变频器)非正弦电源中含有丰富的谐波电压(电流), 引起转子参数变化之故。

即对谐波而言, 谐波滑差 S k = 1 ，转子频率 f 2 = S k f 1 = f 1 变成了高频，转子集肤效应严重, 致转子电阻R 2k 增大；转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小；槽漏抗原是限制转子电流的主要因素, 它的減小致使转子中谐波电流I 2k 剧增, 结果是转子谐波铜耗P 2k = (I 2k )2 R 2k 远大于基波铜耗, 转子发热剧烈, 成为变频调速电机主要问题之一。

必须注意与调压调速时异步电机转子发热是由基波损耗(滑差功率)引起, 而变流器(变频器)非正弦供电电机转子容易发热是谐波效应所致, 不是基波造成的结果。

14．变流器(变频器)非正弦供电时, 异步电机的效率如何变化? 与变流器(变频器)类型有关系否? 答:变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。

但变化趋势与变频器型有关: ①电压源型逆变器供电时: 谐波电压大小取决于变频器输出电压波形，确定；谐波含量固定，与电机负载大小无关。

故谐波电流大小及产生的谐波损耗Δp 不随负载Ρ2变化而恒定。

这样:●轻载时，Р2小，大小固定的Δp 影响大，η↓多。

●满载时，Ρ2大，大小固定的Δp 影响小，η↓少（2%）②电流源型逆变器供电时: 电流波形确定，即电流中各次谐波含量比例确定，而其大小()T f s =1ω1ω随负载变。

这样:●满载时，电机电流谐波增大，损耗增大，η、cosФ↓多；●轻载时，电机电流谐波量小，损耗较小，η、cosФ↓少。

15．变流器(变频器)非正弦供电时, 异步电机是怎么产生出谐波转矩的(成因)? 有几种形态的谐波转矩? 各有什么性质(特点)?答:有两种形态的谐波转矩, 它们的成因及性质(特点)是:(1) 恒定谐波转矩, 其成因是:气隙磁通中谐波磁通（激励）→相互作用产生的谐波转矩其性质是: ①异步转矩，转矩恒定（大小、方向确定）,②其值很小（1% T N）→影响可忽略。

(2) 脉动转矩, 其成因是:不同次数谐波磁场(主要是幅值最大的5、7次)与基波磁场的相互作用产生.其性质是: ①脉振转矩, 平均值为零, 但低频运行时单方向幅值很大,②六倍基波频谐波转矩。

16．为什么说交-直-交型电流源变频器具有四象限运行能力? 从变流器控制角度图示说明答:电流源型逆变器釆用大电感滤波，直流母线电压U d极性允许改变, 而两桥开关元件单向导电性决定直流电流I d流向不能变, 功率流向改变全靠改变直流母线电压极性，这是通过调节两桥变流器触发角大小来实现, 如图所示。